"萬(wàn)物的存在、運(yùn)動(dòng)與變化 ,都可以用能量來量度鳍烁。"
在這組文章之二中叨襟，說到了能量的定義，能量的各種形式幔荒，以及人們認(rèn)識(shí)能量及能量守恒定律的歷史概要糊闽，這篇文章要從更深的層面上對(duì)能量作一些分析。
01? 又說能量
能量爹梁，據(jù)說在300多年前右犹，在人類的文明中還沒有這個(gè)詞匯，到了16世紀(jì)西方有一個(gè)叫錫德尼詩(shī)人姚垃，在他的作品中首次出現(xiàn)了這個(gè)詞匯念链，估計(jì)這個(gè)詞匯并不與物理學(xué)有多大的關(guān)系，因?yàn)樵撛~匯的出現(xiàn)一個(gè)多世紀(jì)后牛頓理論才問世积糯，而牛頓的著作中沒有能量掂墓。
18世紀(jì)雖然許多物理學(xué)家已涉及了各種形式的能量，但也沒有明確提出能量這一詞匯看成。首先在科學(xué)的領(lǐng)域里提出了能量這個(gè)詞匯的是英國(guó)物理學(xué)家托馬斯·楊君编。在19世紀(jì)初，他把質(zhì)量與速度平方的乘積說成了能量（與牛頓同時(shí)代的萊布尼茨稱作活力川慌，見這組文章《之二》）吃嘿。到1843年哈密頓建立他的理論時(shí)祠乃，能量概念仍然沒有出現(xiàn)。這個(gè)概念被物理學(xué)“捕獲”兑燥，可以考證的是1851年亮瓷，開爾文在他的著作中闡述熱一定律時(shí)，首次明確提出能量這個(gè)名字贪嫂，并宣稱與能量相關(guān)的規(guī)律應(yīng)當(dāng)是物理學(xué)中“第一法則”寺庄。
能量艾蓝，是地球上一切生物都不能須臾離開的東西力崇，而這東西全部都來自太陽(yáng)季春。地球表面每平方米每秒接受的太陽(yáng)能量平均約為103焦耳搁凸。我們生活中的每時(shí)每刻都在與能量打交道。你坐在這里讀這本書落君，你的體表要向外擴(kuò)散熱能于置，你的腦子進(jìn)行思考茧吊、眼睛注視著頁(yè)面，這都要消耗能量八毯。人能運(yùn)動(dòng)搓侄，能工作，正如《之二》中提到的德國(guó)化學(xué)家李比希說的那樣话速，這是我們吃進(jìn)的食物提供的能量讶踪，一個(gè)大饅頭提供約103千焦的能量。像我這樣一位70千克的人泊交，睡眠中每秒消耗約60焦耳的能量乳讥；坐著在這里寫作每秒約要消耗80焦耳的能量；散步每秒要消耗250焦耳的能量廓俭。人的心臟是一個(gè)“既敬業(yè)又勤勞”的器官云石，每晝夜搏動(dòng)約10萬(wàn)次，每次搏動(dòng)約消耗1焦耳的能量研乒，一只饅頭的能量供它一晝夜消耗還綽綽有余汹忠。
能量，無論是在相對(duì)或絕對(duì)的意義上雹熬，這一概念都具有極大的普遍性宽菜，它的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了物理學(xué)的范疇，已經(jīng)覆蓋到所有的自然科學(xué)領(lǐng)域橄唬「郴溃科學(xué)概念的力量在于它能解釋和統(tǒng)一種種自然現(xiàn)象的能力，在這方面仰楚，能量概念也許是獨(dú)一無二的隆判。
科學(xué)包含著不同的科目犬庇，不同科目也會(huì)具有不同的原理，但是關(guān)于能量的原理似乎在各種情況下都是不變的侨嘀，都是正確的臭挽。無論是我們仰視宇宙的無邊疆域，還是俯察亞原子微小領(lǐng)地咬腕；無論是天空飛行的飛機(jī)欢峰，還是地面上奔跑的汽車；無論我們煮一碗飯涨共，還是點(diǎn)一盞燈纽帖。能量定律都能適用。能量被證明是人類生活所有領(lǐng)域中具有最重要意義的概念举反，還是一個(gè)仍然在不斷的認(rèn)識(shí)懊直、探索之中的一個(gè)概念。
02 對(duì)能量定義的分析
關(guān)于對(duì)能量的定義火鼻，教科書中約有以下幾種說法室囊。
“能量是用做功來量度的物質(zhì)性質(zhì)”；“能量是物質(zhì)的一種屬性魁索，可用做功來量度”融撞；“能量是物體對(duì)外做功能力的量度”；“能量是系統(tǒng)做功的本領(lǐng)粗蔚，一個(gè)系統(tǒng)的能量尝偎，就是這個(gè)系統(tǒng)能做功的數(shù)量”。
如果對(duì)這些說法作一個(gè)歸納支鸡，應(yīng)當(dāng)是這樣的：能量是物質(zhì)系統(tǒng)（一個(gè)物體冬念，或多個(gè)物體的組合）的一種屬性；這個(gè)屬性是指物質(zhì)系統(tǒng)都具有做功的本領(lǐng)或曰能力牧挣；這個(gè)屬性還可以用做功的數(shù)量進(jìn)行量度急前，即可以用能做多少功的數(shù)量來量度系統(tǒng)的這種本領(lǐng)大小。
關(guān)于能量的這個(gè)定義瀑构，可以做以下幾點(diǎn)說明裆针。
第一，任一物質(zhì)系統(tǒng)都具有能量寺晌。
能量既然是物質(zhì)系統(tǒng)的普遍存在的屬性世吨，那就是說，任一物質(zhì)系統(tǒng)都有能量呻征，都具有做功的本領(lǐng)耘婚。
第二，是系統(tǒng)的一種“本領(lǐng)”或“能力”陆赋。
能量既然是系統(tǒng)的做功本領(lǐng)沐祷，是系統(tǒng)的一種“能力”嚷闭。“能力”有大小赖临，但沒有形狀和顏色胞锰，更沒有溫度與質(zhì)感，是一種非物質(zhì)的存在形式兢榨。
第三嗅榕，物質(zhì)系統(tǒng)是能量的載體。
既然能量是系統(tǒng)的一種“本領(lǐng)”或“能力”吵聪，那它一定是屬于這個(gè)系統(tǒng)的凌那，是附屬于系統(tǒng)的一種存在。這就像一個(gè)人的能力暖璧，是依附于這個(gè)具體的人而存在的案怯，人是能力的載體一樣君旦。
第四澎办，能量會(huì)傳輸與轉(zhuǎn)移，但不會(huì)丟失金砍。
按定義局蚀，能量是物體做功的本領(lǐng)，本領(lǐng)的大小可以用做功的多少來量度恕稠。比如琅绅，A（一個(gè)人）推動(dòng)B（一本書），使B動(dòng)起來鹅巍，A具有做功的本領(lǐng)（能推動(dòng)書）千扶，但要消耗了能量（化學(xué)能），即消耗這種做功的本領(lǐng)骆捧，而B獲得了能量（動(dòng)能）澎羞，即B獲得這種做功的本領(lǐng)。這里的“本領(lǐng)”可以傳輸（從A到B）敛苇，還可以有不同形式的轉(zhuǎn)換（在這里是化學(xué)能到機(jī)械能）妆绞，但不會(huì)丟失，顯然枫攀，這里的本領(lǐng)與我們通常理解的“本領(lǐng)”或“能力”并不完全一樣括饶，而更合適的詞匯卻沒有。
第五来涨，某物質(zhì)對(duì)象所具有能量图焰，是它能做多少功，而不是它做了多少功蹦掐。
某物質(zhì)對(duì)象的做功能力與能做多少功是兩碼事技羔，有能量不一定能做功驰徊。地球上的海水存儲(chǔ)了巨大的能量，但沒有一個(gè)低溫的冷源堕阔，無法實(shí)現(xiàn)熱量的流動(dòng)而做功棍厂，而建立低溫冷源目前還是一個(gè)得不償失的難題。由此可見超陆，利用能量做功是有一定的條件的牺弹，有時(shí)這個(gè)條件還無法實(shí)現(xiàn)，因此永遠(yuǎn)也不能做功时呀。這就像有人有一張銀行卡张漂，上面具有的款項(xiàng)就是這張卡的“能量”；能做多少功谨娜，就是用這張卡去消費(fèi)航攒，消費(fèi)了多少，卡上刷去了多少現(xiàn)金——這才是做了多少功趴梢。而消費(fèi)是要有一定外部條件的漠畜，在千里大漠，在原始森林坞靶，沒有可消費(fèi)的地方憔狞，這張銀行卡雖然有“能量”，但也不能“做功”彰阴。
第六瘾敢，麥克斯韋妖一定要消耗能量。
前文中說尿这，麥克斯韋妖在操作的過程中簇抵，因?yàn)闆]有接觸系統(tǒng)中的任何成員（分子），因此小妖沒有對(duì)容器內(nèi)分子做功射众，該系統(tǒng)的能量不會(huì)有變化碟摆，小妖似乎就不用消耗能量。
我們來考察小妖的工作责球，雖然它沒有對(duì)任一分子做功焦履，但它不停地開關(guān)閥門，總在使閥門不斷地從靜止到運(yùn)動(dòng)雏逾，又從運(yùn)動(dòng)到靜止嘉裤，而閥門一定是有質(zhì)量的，它不斷獲得機(jī)械能栖博，必須有小妖給予它能量屑宠，因此，小妖是一定要消耗能量的仇让。
另外典奉，它要準(zhǔn)確躺翻、適時(shí)地開關(guān)閥門，使閥門總在運(yùn)動(dòng)變化中卫玖；它還必須獲得每個(gè)分子運(yùn)動(dòng)的信息來決定自己的操作行為公你，這也要消耗能量。小妖要消耗能量就必須先存儲(chǔ)能量假瞬，而能量是要以物質(zhì)作為載體的陕靠，可見，在物理世界中小妖必須是物質(zhì)的脱茉，可以存儲(chǔ)能量剪芥、可以觸摸、有質(zhì)感的一個(gè)妖精琴许，它在工作中必然會(huì)不斷地消耗能量税肪。
03? 關(guān)于 E = mC^2
愛因斯坦對(duì)20世紀(jì)物理學(xué)的發(fā)展有著重要的作用和影響，而其主要的成就是建立了狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論榜田。
在狹義相對(duì)論中益兄，愛因斯坦發(fā)現(xiàn)了一個(gè)重要公式：E = mC^2。這個(gè)公式是對(duì)能量認(rèn)識(shí)的一個(gè)重大的突破串慰，表述了大自然一個(gè)最基本的關(guān)系偏塞。公式的基本含義是：任何物體的總質(zhì)量等于該物體的總能量除以C^2，由于能量是做功的本領(lǐng)邦鲫，公式的實(shí)際上還指出任何質(zhì)量為m的物體，應(yīng)當(dāng)能做 mC^2的功神汹。任何一個(gè)物質(zhì)系統(tǒng)庆捺，質(zhì)量是它存在的標(biāo)志，因此正如上面所說的屁魏，任何物質(zhì)系統(tǒng)都有做功的本領(lǐng)滔以，是物質(zhì)系統(tǒng)本身就具有的基本屬性。
愛因斯坦還有這樣的看法：一個(gè)物體的質(zhì)量全部都是由不同形式的能量形成的氓拼，比如電能你画、引力能和核能等，質(zhì)量就是被鎖在物質(zhì)內(nèi)的能量桃漾，是一種潛在的貯藏的能量坏匪，可在恰當(dāng)?shù)臈l件下釋放出來；不僅一切質(zhì)量有能量撬统，而且一切能量也都有質(zhì)量适滓，能量和質(zhì)量本質(zhì)上是等當(dāng)?shù)模峭环N東西恋追。
若在我們面前放著一張紙凭迹，或一支筆罚屋，總是要由一定的“量”來表征它們的存在，那就是它們的質(zhì)量嗅绸，即它們含有多少個(gè)分子脾猛、原子，這些分子鱼鸠、原子尖滚，都是能量的果實(shí)，是被鎖住了的能量瞧柔，因此漆弄，有了質(zhì)量也就有了能量，或者說能量就是物質(zhì)造锅，物質(zhì)就是能量撼唾。
在這個(gè)公式中，因?yàn)镃值很大哥蔚，它的平方就是一個(gè)更大的數(shù)倒谷。由此，即便一個(gè)物體獲得很大的能量糙箍，也只能增加了很小的質(zhì)量渤愁，或者反過來，一點(diǎn)很小的質(zhì)量就可釋放出很大的能量深夯。比如抖格，你把一噸重的一塊大石頭，提高100米咕晋，勢(shì)能增大了雹拄，質(zhì)量也增大了，質(zhì)量的增加為△m = △E /C^2 掌呜，約10-5毫克滓玖，只增加了一粒塵埃的千分之一那么點(diǎn)兒質(zhì)量。
又比如质蕉，在核裂變的反應(yīng)中势篡，反應(yīng)后能生成大量的能量而損失質(zhì)量卻不多。1千克的鈾發(fā)生裂變模暗，其質(zhì)量損失約為1%禁悠，即10克左右。約能產(chǎn)生9×1014焦耳的能量汰蓉。我國(guó)人口14億绷蹲，若每人的平均體重為50公斤，則可以將這么多人一齊提升到1300米的高度。這個(gè)能量顯然驚人祝钢。
在高能物理實(shí)驗(yàn)室中比规，這一公式被無數(shù)次證明，是一個(gè)正確的公式拦英。
我們知道蜒什，構(gòu)成通常的實(shí)物是質(zhì)子、中子和電子疤估，物理學(xué)家還發(fā)現(xiàn)了另外三種對(duì)應(yīng)的實(shí)物粒子灾常，分別叫做反質(zhì)子、反中子和反電子（正電子）铃拇。如果把一個(gè)反粒子帶到它對(duì)應(yīng)的粒子附近钞瀑，兩個(gè)實(shí)物粒子就會(huì)完全消失而產(chǎn)生高能輻射。實(shí)驗(yàn)表明慷荔，任何質(zhì)子雕什、中子和電子都可以通過這種方式湮沒，而轉(zhuǎn)化為高能輻射显晶，測(cè)量高能輻射的能量贷岸，就等于這對(duì)粒子的質(zhì)量之和乘以C的平方。
在廣義相對(duì)論中磷雇，愛因斯坦提出了更加驚人的關(guān)于質(zhì)量-能量的看法偿警。
他說一個(gè)物體的質(zhì)量會(huì)使其周圍的時(shí)空發(fā)生變形。對(duì)于質(zhì)量小的物體唯笙，這種變形非常微小螟蒸，以致不能被觀測(cè)出來，而對(duì)于質(zhì)量巨大的天體因?yàn)橹車袕?qiáng)大的引力場(chǎng)睁本，空間會(huì)發(fā)生畸變尿庐。質(zhì)量大的物體，其周圍空間的引力強(qiáng)呢堰，時(shí)空密度就顯得大，在這里凡泣，鐘走得慢了枉疼，尺子也變短了。因此鞋拟，根據(jù)這個(gè)理論骂维，時(shí)空的形狀是由質(zhì)量來決定的，而質(zhì)量是由能量形成的贺纲，因此也可以說是能量的分布決定了周圍時(shí)空的形狀航闺。
對(duì)于地球上熟悉的現(xiàn)象，如物體的下落，子彈的飛行等潦刃，廣義相對(duì)論與牛頓理論預(yù)言近乎全同侮措，但是理論上的解釋卻有天壤之別。比如地球繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)乖杠，牛頓理論認(rèn)為是引力分扎，像是從太陽(yáng)上“長(zhǎng)出”了一根繩子系緊了地球，甩著地球繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)胧洒，這很直觀畏吓，也很形象，好理解卫漫；廣義相對(duì)論認(rèn)為這是太陽(yáng)巨大的質(zhì)量形成的空間的彎曲菲饼，地球就是在這個(gè)彎曲的空間里運(yùn)行。
按愛因斯坦的說法列赎，是不同形式的能量形成了質(zhì)量宏悦，因此時(shí)空彎曲根源還是能量，是能量造就了這個(gè)讓地球運(yùn)行的彎曲的空間粥谬。當(dāng)然不是說彎曲的空間就是地球繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的環(huán)形的圓圈肛根，相反，這是一個(gè)異常復(fù)雜的誰(shuí)也說不清楚（包括愛因斯坦本人）的三維彎曲的空間漏策。
04? 淺說量子場(chǎng)
20世紀(jì)前二十幾年里派哲，先是相對(duì)論出現(xiàn)了，后來又有了量子論掺喻。這兩個(gè)理論在兩個(gè)方面拓展了牛頓物理學(xué)：相對(duì)論將牛頓理論放到與光速（3×10^8米/秒）可比擬的高速世界中芭届，這是宇宙中最快的速度；量子論將牛頓理論投入到原子感耙、電子運(yùn)動(dòng)的微觀的世界中褂乍。
然而，這兩個(gè)理論都有不足之處即硼。相對(duì)論不能用來處理小尺度范圍內(nèi)的物理現(xiàn)象逃片，而量子力學(xué)在高速的情況下不適用。因此兩個(gè)理論都不能解釋小尺度區(qū)域中的高速現(xiàn)象只酥。人們就想褥实，能否把這兩個(gè)理論結(jié)合在一起，構(gòu)成一個(gè)新的理論裂允，來處理一切空間尺度损离、一切速率范圍的物理現(xiàn)象呢？
答案是肯定的绝编，這個(gè)理論在1930——1950年期間逐步建立起來僻澎，叫量子場(chǎng)論貌踏。
該理論有自己清晰的世界圖像：物質(zhì)世界存在的本原形式是各種場(chǎng)，比如引力場(chǎng)窟勃、電磁場(chǎng)祖乳、物質(zhì)場(chǎng)（物質(zhì)與能量本身及其形成的場(chǎng)，譬如天體及其天體萬(wàn)有引力形成的場(chǎng)）等拳恋，這些場(chǎng)充滿了整個(gè)宇宙空間凡资。自然界發(fā)生的每個(gè)件事都是這些場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)與相互作用的結(jié)果。這些場(chǎng)的量子化會(huì)生成微小能量包谬运，稱作量子隙赁，亦即微觀世界的各種粒子，不同的粒子就是不同的場(chǎng)生成的梆暖。自然界的一切輻射粒子和實(shí)物粒子都是這些量子以及它們的組合伞访。
量子場(chǎng)論可以畫出這樣一張“物質(zhì)構(gòu)成的階梯圖”來：宏觀物質(zhì) → 分子 → 原子 →原子核 →核子（質(zhì)子、中子）→夸克轰驳、電子→場(chǎng)厚掷。這里的夸克和電子，可認(rèn)為是構(gòu)成宇宙萬(wàn)物的最小磚塊级解，它們來源于場(chǎng)的相互作用而生成的粒子冒黑。
實(shí)驗(yàn)告訴我們，質(zhì)子與中子是由三個(gè)夸克構(gòu)成的勤哗。由E = mc^2抡爹，計(jì)算表明，質(zhì)子與中子的質(zhì)量90%來自這些粒子內(nèi)部的夸克強(qiáng)作用力場(chǎng)的能量芒划。由于尋常物質(zhì)的質(zhì)量的99%來自質(zhì)子和中子冬竟，這就是說，尋常物質(zhì)的大約90%的質(zhì)量來自夸克之間強(qiáng)大的非實(shí)物的場(chǎng)民逼，而其余10%來自于充滿整個(gè)宇宙中希格斯場(chǎng)泵殴，這個(gè)場(chǎng)會(huì)與實(shí)物粒子（夸克、電子等）發(fā)生相互作用拼苍，其能量就是剩余的10%的質(zhì)量的來源笑诅。這就是今天人們對(duì)于宇宙間萬(wàn)物質(zhì)量起源的終極解釋〈辏總之苟鸯，一切質(zhì)量都來源于場(chǎng)的能量。
上面提到的希格斯場(chǎng)棚点，下面作一點(diǎn)解釋。
希格斯場(chǎng)是英國(guó)物理學(xué)家希格斯于1964年提出的一個(gè)想法湾蔓，這個(gè)場(chǎng)與別的場(chǎng)一樣瘫析，也必然存在這個(gè)場(chǎng)相對(duì)應(yīng)的能量子——希格斯粒子。這一粒子長(zhǎng)期以來成了物理學(xué)家理論上假設(shè)的一種基本粒子，著名美國(guó)粒子物理學(xué)家萊德曼（1988年諾貝爾獎(jiǎng)得主）稱這種粒子為“上帝的粒子”贬循，是“指揮著宇宙交響曲的粒子”咸包， 現(xiàn)已成為整個(gè)粒子物理學(xué)的研究的中心，可見這種粒子的重要性杖虾。 2011年12月13日烂瘫，歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)偵測(cè)到有希格斯粒子出沒的跡象。到2012年7月31日奇适，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子坟比，發(fā)表的論文詳細(xì)地描述了新發(fā)現(xiàn)的希格斯粒子衰變的過程。2013年諾貝爾物理獎(jiǎng)發(fā)給了與這項(xiàng)研究相關(guān)英國(guó)理論物理學(xué)家希格斯等兩人嚷往。
關(guān)于希格斯粒子還有一段趣聞葛账，早在2000年，斯蒂芬·霍金與美國(guó)物理學(xué)家凱恩打賭皮仁，霍金認(rèn)為希格斯粒子不可能存在籍琳。希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)，霍金輸了100美元贷祈，而希格斯本人從提出到發(fā)現(xiàn)足足等待了48年趋急，才被世人發(fā)現(xiàn)與肯定。
如此說來势誊，宇宙的本原是場(chǎng)呜达，粒子只是由場(chǎng)的組合出現(xiàn)的次級(jí)現(xiàn)象。放在眼前桌子上的書键科，都只不過是波動(dòng)的力場(chǎng)的一種組態(tài)闻丑，是場(chǎng)的一種“織物”。由于桌子中的電子力場(chǎng)排斥書本中的電子力場(chǎng)勋颖，使得書不會(huì)從桌子的場(chǎng)——雖然是一種虛空——中掉下來嗦嗡。人的眼睛也是場(chǎng)的一種組態(tài)或曰堆砌，眼睛能看到桌上的書饭玲，是因?yàn)闀牧?chǎng)發(fā)出的電磁輻射與眼睛的場(chǎng)發(fā)生了作用侥祭，使你的眼睛看見了這本書。宇宙原貌不是由我們能觸摸到的實(shí)物來構(gòu)成的茄厘，一切實(shí)物都是由量子化的場(chǎng)“編織”出來的矮冬。
場(chǎng)是什么，場(chǎng)就是攜帶著一定能量的像煙一樣飄渺的虛空次哈，宇宙的原貌就是虛空胎署。莎士比亞戲劇《暴風(fēng)雨》第四幕的第一場(chǎng)中有這樣一句臺(tái)詞：“構(gòu)成我們的材料也是構(gòu)成夢(mèng)幻的材料”，若用在這里似乎既形象又貼切窑滞，怪不得美國(guó)大物理學(xué)家惠勒說“也許莎士比亞比我們自己更理解這個(gè)宇宙琼牧！”
牛頓認(rèn)為虛空中運(yùn)動(dòng)的不可摧毀的原子是構(gòu)成萬(wàn)事萬(wàn)物的磚塊恢筝；量子場(chǎng)論則認(rèn)為由相互作用與運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)才是一切實(shí)物包括原子在內(nèi)的基本存在，是萬(wàn)物的根源巨坊∏瞬郏看來，原子構(gòu)成的物質(zhì)世界已經(jīng)過時(shí)趾撵，物理學(xué)對(duì)宇宙的看法變了：宇宙從堅(jiān)實(shí)的原子幻化成了飄渺的場(chǎng)侄柔；從粒子綿延成波，從一個(gè)點(diǎn)彌散成一個(gè)區(qū)域占调；各種場(chǎng)的組合才是我們感知到的實(shí)物暂题，其質(zhì)量?jī)H僅是由這些場(chǎng)的能量結(jié)出的果實(shí)。
05? 宇宙有多少能量
18世紀(jì)中葉妈候，開爾文與他同時(shí)代的科學(xué)家根據(jù)能量守恒定律敢靡，提出了這樣一種看法，上帝將能量作為一份大禮賜予了人類苦银，這份大禮是神圣的啸胧，既然是上帝送的禮，當(dāng)然與人類的任何活動(dòng)無關(guān)幔虏，是一個(gè)恒定的量纺念。
那么，宇宙間到底有多少能量呢想括？這是衡量上帝“慷慨”或“吝嗇”的一個(gè)指標(biāo)陷谱。
這份大禮的“量”究竟是多少，還得從現(xiàn)代物理學(xué)提出的宇宙如何出現(xiàn)說起瑟蜈。
現(xiàn)代物理學(xué)認(rèn)為烟逊，所謂的真空不是不包含任何東西的空間，不是完全的虛無铺根，而是存在著場(chǎng)宪躯。在這個(gè)場(chǎng)中，會(huì)有一定的幾率隨機(jī)地出現(xiàn)具有一份一份能量的小包位迂。
美國(guó)高能物理學(xué)家古斯根據(jù)這些觀點(diǎn)访雪，提出了他的“宇宙創(chuàng)始”說。這個(gè)假說也許是目前為止掂林，對(duì)宇宙出現(xiàn)的最早時(shí)刻發(fā)生的詳細(xì)情形給出的一個(gè)最好的描述臣缀。這個(gè)假說這樣說，在真空中極小的亞微觀尺度上泻帮，發(fā)生了一次能量的量子漲落事件精置，出現(xiàn)了一個(gè)極小的但具有一定能量的小包。這樣的量子事件可能會(huì)由于相反的量子漲落锣杂，很快就消失掉氯窍，成為一個(gè)虛無事件饲常，但還有另一種可能性，它非但沒有消失狼讨，反而會(huì)像一個(gè)氣球那樣突然“脹”起來，出現(xiàn)一個(gè)真實(shí)的有物質(zhì)存在的空間柒竞。
這是一個(gè)極小概率的事件政供，是一個(gè)奇跡。
宇宙就是從這樣的奇跡開始的朽基，其詳情是這樣：在一真空區(qū)域中布隔，根據(jù)量子理論的不確定原理，會(huì)偶然地出現(xiàn)一個(gè)能量小包——即量子稼虎，其直徑約為10^－35米衅檀，存在的時(shí)間約為10^－43秒掏觉，這個(gè)小包的能量圍繞著它的統(tǒng)計(jì)平均值隨機(jī)地出現(xiàn)不同尋常的漲落酬凳，漲落的能量大小約為109J坏为，相當(dāng)于一只汽車油箱的汽油所具有的能量铭拧。根據(jù)E＝mC^2唐全，這么多能量相當(dāng)?shù)馁|(zhì)量是0.01mg释簿，一顆塵埃的質(zhì)量帖烘。這聽起來不是很大的能量鸟辅，但是塞在這么小的一個(gè)區(qū)域中柳击，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)極高的大約10^32K溫度猿推，如此高的溫度，這個(gè)小能量包就立即開始膨脹捌肴，宇宙大爆炸就開始了蹬叭，在一個(gè)極短的時(shí)間內(nèi)，宇宙會(huì)經(jīng)歷一次極為猛烈的状知、短暫的秽五、指數(shù)式的膨脹，稱作“暴脹”试幽。暴脹結(jié)束后筝蚕，宇宙還在膨脹著，直到我們現(xiàn)在這個(gè)樣子铺坞。
按愛因斯坦的公式起宽，物體的質(zhì)量是與能量是成正比的，質(zhì)量越大济榨，包含的能量也越大坯沪。然而，由于存在著質(zhì)量擒滑，物質(zhì)之間會(huì)出現(xiàn)了引力腐晾，質(zhì)量越大的物體之間引力也越大叉弦。物體間的引力會(huì)降低相互作用的物體的總能量，引力的作用對(duì)總能量的貢獻(xiàn)是負(fù)的藻糖，因此當(dāng)我們把星系之間淹冰，以及星系內(nèi)部的恒星之間的引力作用都加起來的話，那么原先按照質(zhì)量相加所得到的總能量就會(huì)大大地減小巨柒。如果質(zhì)量與引力的作用二者對(duì)能量正負(fù)效應(yīng)相等的話樱拴，那宇宙的總能量就是零。
古斯提出的理論也對(duì)宇宙間究竟有多少能量做出了解釋洋满。理論首先指出了宇宙間為什么存在著這么多的物質(zhì)晶乔，粒子是從能量中創(chuàng)生出來，粒子具有正能量牺勾，而這些粒子的質(zhì)量產(chǎn)生的引力場(chǎng)具有負(fù)能量正罢，從而宇宙的總能量趨近于零。在宇宙體積急劇加倍膨脹（稱作暴脹）的早期驻民，可以制造粒子的總能量變得非常之大翻具，以致于我們的宇宙現(xiàn)在大約擁有1億億億億億億億億億億（1后面跟80個(gè)零）個(gè)粒子。然而川无，隨著宇宙的膨脹出現(xiàn)的巨額負(fù)引力勢(shì)能呛占，會(huì)始終保持著能量的收支平衡。天文學(xué)家們能夠測(cè)量出諸星系的質(zhì)量懦趋，星系間的平均距離晾虑，以及它們的退行速度，從而計(jì)算出宇宙的總能量仅叫。計(jì)算的結(jié)果是在可觀測(cè)的精度內(nèi)總能量的值確實(shí)為零帜篇。
“慷慨”的上帝饋贈(zèng)給人類的能量“大禮包”原來是空的！
關(guān)于宇宙間的能量诫咱，還有一個(gè)新的情況笙隙。
1998年，天文觀察揭示著這樣一個(gè)事實(shí)：宇宙不僅在膨脹坎缭，而且這個(gè)膨脹是加速的竟痰。這不是人們預(yù)料的結(jié)果，如果因?yàn)榇蟊ㄓ钪嫦蛲馀蛎浱秃簦敲从捎诒ㄒ呀?jīng)過去了140億年坏快，爆炸的余威應(yīng)當(dāng)越來越小了，膨脹應(yīng)當(dāng)減速憎夷；而且由于引力的持續(xù)作用莽鸿，它是會(huì)阻礙宇宙繼續(xù)“發(fā)胖”的。那么宇宙為什么還會(huì)加速膨脹呢？是什么原因推動(dòng)著這種加速膨脹呢祥得？
科學(xué)家們推測(cè)兔沃，全部的空間甚至包括真空，必定存在某種新形式的非實(shí)物的能量级及，這些能量的存在把空間向外推乒疏，使得星系間的空間變大，星體之間的距離變大创千，科學(xué)家稱為“暗能量”缰雇，只有這種暗能量的存在，才形成了宇宙的這種膨脹形式追驴。這代表了宇宙空間的一種性質(zhì)，即空間自身可以具有能量疏之，這種能量的密度不因膨脹而降低殿雪，并且促使空間膨脹的速度越來越快。但問題是锋爪，宇宙空間為什么會(huì)有這樣的性質(zhì)丙曙，并具有能量呢？
這是一個(gè)令人驚訝的新概念其骄，這個(gè)概念是1998年隨著發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹的加速而提出來的亏镰。從觀察到證據(jù)表明它的存在是確定的，但它到底是個(gè)什么東西拯爽，至今還不清楚索抓。目前物理學(xué)家和宇宙學(xué)家對(duì)于暗能量仍然是一無所知。這就使得“暗能量”不是物理學(xué)中的一個(gè)確切的“概念”毯炮，而是宇宙學(xué)中最為艱深的一道難題逼肯。
愛因斯坦說，一切形式的能量都有質(zhì)量桃煎，而質(zhì)量會(huì)影響空間的彎曲程度篮幢。科學(xué)家從宇宙背景輻射獲得的信息为迈，能夠推斷出宇宙中暗能量的含量三椿。把這個(gè)暗能量對(duì)應(yīng)的質(zhì)量，加到宇宙中的發(fā)光物質(zhì)葫辐、不發(fā)光的尋常物質(zhì)和暗物質(zhì)（亦稱“奇異暗物質(zhì)”搜锰，以與別的不發(fā)光成分如星際間的氣體、中微子和黑洞等相區(qū)別另患，而后面這些是由現(xiàn)在已知的物質(zhì)形式構(gòu)成的纽乱。它的發(fā)現(xiàn)是因?yàn)橛^測(cè)發(fā)現(xiàn)恒星與氣體云環(huán)繞它們的星系中心公轉(zhuǎn)時(shí)，其速度是如此至高而會(huì)發(fā)生飛散昆箕，除非星系中心有比我們實(shí)際觀測(cè)到的多許多倍的物質(zhì)產(chǎn)生的引力鸦列，才能維持速度如此之高的公轉(zhuǎn)租冠，這些未觀測(cè)到的大量物質(zhì)就是暗物質(zhì)）的質(zhì)量上，得出的總質(zhì)量正好是使宇宙的總體空間幾何形狀變得平直所需的質(zhì)量薯嗤，于是顽爹，宇宙平直的性質(zhì)、宇宙的加速膨脹和暗能量這些東西的相互配合骆姐，一起就構(gòu)成了一幅出乎意料又與觀測(cè)相符的宇宙圖像镜粤。
然而，暗能量的出現(xiàn)為“宇宙是由什么構(gòu)成的”這個(gè)古老的問題提供了一個(gè)全新的答案玻褪。從對(duì)宇宙的膨脹和微波背景的觀測(cè)表明肉渴，宇宙主要是由暗能量構(gòu)成的！宇宙有73%是暗能量带射，23%是暗物質(zhì)同规，接近4%是不發(fā)光的“尋常”物質(zhì)（包括星系間的氣體窟社、中微子和黑洞）券勺，只有0.4%（還不到1%的一半）就是我們能見到的那些東西。宇宙比我們能想象到的還要離奇灿里，它的96%是我們完全不了解物質(zhì)和能量構(gòu)成的关炼，剩下的4%中又大部分是不可見的，而可見的物質(zhì)匣吊，即我們通常以為的宇宙萬(wàn)物——腳下的地球儒拂、地球上可見到的一切，月亮缀去、太陽(yáng)侣灶、銀河系、河外星系等等缕碎，只占有宇宙構(gòu)成的1%還不到褥影！
如此看來，宇宙的主要部分對(duì)于我們還是一個(gè)謎咏雌，宇宙中全部能量的主要部分我們竟然一點(diǎn)也不知道是什么凡怎。
06 能量究竟是什么？
根據(jù)以上的論述赊抖，我們可以歸納一下统倒，看看能量是什么。
用牛頓理論討論物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)氛雪，定義了能量房匆。說能量從屬于一個(gè)物質(zhì)系統(tǒng)，是這個(gè)系統(tǒng)的做功的能力，或者說浴鸿，能量就是物體的做功本領(lǐng)井氢。
在狹義相對(duì)論中，愛因斯坦說一物的能量等于其質(zhì)量乘以C2岳链。由于能量是做功的本領(lǐng)花竞，任何質(zhì)量為m的物體，就能做 mC2的功掸哑。愛因斯坦還說约急，不僅一切質(zhì)量有能量，而且一切能量也都有質(zhì)量苗分，能量和質(zhì)量本質(zhì)上是等當(dāng)?shù)难岜危峭环N東西。這就是說摔癣，能量就是質(zhì)量躺枕。
現(xiàn)代物理學(xué)又說，你看到的書供填，敲擊的鍵盤，踩的地罢猪，以至包括我們自己近她，都是攜帶著各種能量場(chǎng)的疊加結(jié)出的“果實(shí)”。這是說膳帕，宇宙間的萬(wàn)物都是能量的疊加粘捎，而每一物都是鎖住的能量。
量子場(chǎng)論說危彩，真空中的一個(gè)能量小包攒磨，就是一個(gè)微觀粒子，那么微觀粒子就是能量汤徽；引力場(chǎng)可以抵消物質(zhì)場(chǎng)的能量娩缰，就是說，“引力場(chǎng)”與“能量”也是同一類的物質(zhì)存在形式谒府，引力場(chǎng)看不見拼坎、摸不著，又說是一種負(fù)能量完疫，這里所說的能量又是什么泰鸡？
古斯說一個(gè)真空中能量小包，可能會(huì)成為宇宙的一顆種子壳鹤，導(dǎo)致了一個(gè)宇宙的出現(xiàn)盛龄，能量成了偌大宇宙的種子；又有物理學(xué)家說，今天宇宙的不斷膨脹余舶，是因?yàn)橐环N“暗能量”在起作用啊鸭，能量是宇宙不斷膨脹的原因；愛因斯坦說欧芽，能量決定著宇宙空間的形狀莉掂，也決定了宇宙間萬(wàn)物的運(yùn)動(dòng)軌道；不少科學(xué)家說千扔，決定了萬(wàn)物的運(yùn)動(dòng)憎妙、變化、生長(zhǎng)曲楚，是能量厘唾，決定著人類的命運(yùn)、決定了宇宙的明天也是能量龙誊。
從物質(zhì)世界看來抚垃，能量幾乎就是一切，那么趟大，能量究竟又是什么呢鹤树？
如此看來，能量這個(gè)概念逊朽，隨著人們對(duì)物質(zhì)世界認(rèn)識(shí)的不斷深入罕伯，其內(nèi)含也在不斷地深入與豐富，至今叽讳，我們對(duì)這個(gè)概念的認(rèn)識(shí)追他，恐怕還不清楚。這正如大物理學(xué)家諾貝爾獎(jiǎng)得主費(fèi)曼所說的那樣：“我們并不知道能量是什么岛蚤，而在當(dāng)今物理學(xué)中認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)是非常重要的邑狸。”
07 能量是萬(wàn)物的尺度
古希臘的哲學(xué)家普羅泰戈拉（約公元前481-約前441年）認(rèn)為人都是根據(jù)自己的感覺對(duì)事物做出判斷的：一陣風(fēng)刮過來涤妒，有人感到冷单雾，有人感到不冷，人的不同感覺確定了風(fēng)的不同模樣届腐，人的感覺就成了風(fēng)的“尺度”铁坎。 由此，他提出了一個(gè)著名命題“人是萬(wàn)物的尺度”犁苏。強(qiáng)調(diào)人的作用和價(jià)值硬萍。因?yàn)樯癫荒鼙凰兄剑虼怂麑?duì)傳統(tǒng)的宗教神學(xué)提出了質(zhì)疑：“至于神围详，我既不知道他們是否存在朴乖，也不知道他們像什么東西”祖屏。
事實(shí)上人們大都是從感知出發(fā)，從看到的买羞、觸摸到的東西感悟這個(gè)世界袁勺，認(rèn)為世界是個(gè)什么樣子。詩(shī)人畜普、文學(xué)家對(duì)山川河流的描述期丰，也都是以他個(gè)人的感悟作為一把“尺子”，“量度”出這些物的“形與神”吃挑，只是“量度”得那樣繪聲繪色钝荡，久為后人傳頌而已。
科學(xué)當(dāng)然不全是這樣的舶衬，它認(rèn)識(shí)事物也是從感知開始埠通，即所謂的觀察，但要結(jié)合慎密的思考逛犹，通常還要有實(shí)驗(yàn)這個(gè)中介端辱，讓觀察與思考不斷地發(fā)生相互撞擊，從而找出規(guī)律虽画。伽利略是這種科學(xué)方法的首倡者舞蔽，他用這種方法否定了亞里士多德以直覺為主建立起來的物理學(xué)。因此码撰，在科學(xué)領(lǐng)域里喷鸽，感覺顯然不能作為度量萬(wàn)物的尺度。
然而灸拍，在科學(xué)領(lǐng)域里，自然界為我們提供了一把尺子砾省，現(xiàn)代物理學(xué)找到了這把尺子鸡岗，那就是能量。某物的能力可以用能量來“量”编兄，某物的運(yùn)動(dòng)可以用能量來“度”轩性。
宇宙也是可以用能量來量度的。
宇宙如何生成狠鸳，為什么剛出生就暴脹揣苏，宇宙有多少凈能，宇宙空間是什么形狀件舵，宇宙的空間為什么至今還在膨脹卸察，宇宙的壽命有多長(zhǎng)，宇宙間的萬(wàn)物及其變化都可以由能量來量度铅祸，而且宇宙自身的演化也可由能量來確定坑质。
盡管今天的物理學(xué)并不完全知道能量究竟是什么合武，但能量作為萬(wàn)物的尺度是一個(gè)無可非議的結(jié)論，無論那一個(gè)概念都不能替代它的確定地位涡扼，是能量統(tǒng)一了全部物理學(xué)稼跳；能量的概念與定律有助于我們對(duì)物質(zhì)世界的任何過程的思考和把握，幫助我們弄清事實(shí)的真相吃沪；能量概念的出現(xiàn)汤善，物理學(xué)才找到了自己的靈魂，人類才找到了量度自然界的一把尺子票彪。
